风机控制策略优化研究项目——开题报告2015-08

1、 项目研究背景项目研究背景 研究内容计划研究内容计划 已取得的研究进展已取得的研究进展 合作模式合作模式 下阶段研究计划下阶段研究计划 2 2 项目研究背景项目研究背景 3 集团风场主控系统现存问集团风场主控系统现存问 题题 4 优化功率曲线的常用手段优化功率曲线的常用手段 5 6 控制系统主要任务控制系统主要任务 7 双馈风电机组的基本控制策略双馈风电机组的基本控制策略 风机转速达到并网要求，恒风机转速达到并网要求，恒 转速运行（转速运行（AB段）段） 额定转速以下，转速跟随风额定转速以下，转速跟随风 速变化，最大吸收风能桨距速变化，最大吸收风能桨距 角保持在最佳设计值（角保持在最佳设计值（

2、BC段）段） 额定转速以上，额定风速以额定转速以上，额定风速以 下，恒转速运行（下，恒转速运行（CD段）段） 额定风速以上，变桨控制，额定风速以上，变桨控制， 保持恒功率运行（保持恒功率运行（D点）点） 345678910 0 5 10 15 x 10 5 研究内容规划研究内容规划 双双PIPI（比例积分）控制（比例积分）控制 策略设计策略设计 控制参数温度自适应修控制参数温度自适应修 正算法开发正算法开发 初步构成了初步构成了 变桨变桨PIDPID（比例积分微分）（比例积分微分） 控制策略设计控制策略设计 变桨控制与转矩控制切换逻变桨控制与转矩控制切换逻 辑设计辑设计 传动链加阻尼功能设计传

3、动链加阻尼功能设计 塔架加阻尼功能设计塔架加阻尼功能设计 转速区间跳跃功能设计转速区间跳跃功能设计 风机低噪声运行模式风机低噪声运行模式 控制策略设计控制策略设计 提升发电量提升发电量载荷（含振动）优化载荷（含振动）优化 降低噪声降低噪声 8 独立变桨控制独立变桨控制 目前的研究进展目前的研究进展 1 1）基于）基于MatlabMatlab的的SimulinkSimulink仿真平台，初步搭建了风电仿真平台，初步搭建了风电 机组的仿真模型；机组的仿真模型； 2 2）开发了双）开发了双PIPI转速转速转矩控制策略，并与传统的查表转矩控制策略，并与传统的查表 法，通过仿真验证了双法，通过仿真验证了

4、双PIPI控制策略的优越性；控制策略的优越性； 3 3）已设计最优模态增益值自适应修正算法，进行了仿）已设计最优模态增益值自适应修正算法，进行了仿 真验证；真验证； 4 4）已设计额定风速以上的变桨）已设计额定风速以上的变桨PIDPID控制策略，初步设计控制策略，初步设计 了转矩与变桨控制的切逻辑，进行了仿真验证。了转矩与变桨控制的切逻辑，进行了仿真验证。 9 风电机组简单模型风电机组简单模型 1 1）风轮模型：）风轮模型： 风轮吸收功率风轮吸收功率 最佳风能吸收系数最佳风能吸收系数 3 2 ),(v R cP pr 643 2 1 5 )(),(cecc c cc i c i p 1 035

5、. 0 08. 0 11 3 i 10 风电机组简单模型风电机组简单模型 2 2）传动链模型（假定传动链为刚性连接）：）传动链模型（假定传动链为刚性连接）： 3)3)变桨模型变桨模型 4 4）发电机模型（发电机的惯性远远小于风轮）：）发电机模型（发电机的惯性远远小于风轮）： rg g grr g grrg n dt d JnJT dt d JnJTnT )( )( 2 2 ggg TP 11 demand s 1 1 Simulink Simulink 风电机组仿真模型风电机组仿真模型 12 额定风速以下，双额定风速以下，双PIPI控制策略控制策略 13 双双PIPI控制策略（与查表法仿真对比

6、）控制策略（与查表法仿真对比） 010002000300040005000600070008000 0 1000 2000 时 间 Omegag (b)-发 电 机 转 速 (r/min) 010002000300040005000600070008000 0 5000 10000 时 间 Torqueg (c)-发 电 机 转 矩 (Nm) 010002000300040005000600070008000 0 5 10 时 间 wind (a)-风 速 (m/s) 14 双双PIPI控制策略（与查表法仿真对比）控制策略（与查表法仿真对比） 0100020003000400050006000

7、70008000 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 时 间 Cp Cp系 数 Cp值大约提高值大约提高0.003-0.005 15 双双PIPI控制策略（与查表法仿真对比）控制策略（与查表法仿真对比） 010002000300040005000600070008000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 x 10 5 时 间 Power 功 率 (w) 功率大约提升功率大约提升15kW-30kW, 占额定功率占额定功率1%-2% 16 最优模态自适应算法最优模态自适应算法 23 gopt Z g KT 33 5 1 ),(5 . 0 n CRK popt 17 Tp

8、 pT 0 0 0 KT kPap mkg 273 33.101 /225. 1 0 0 3 0 最优模态自适应算法最优模态自适应算法 11.051.11.151.21.251.31.351.41.45 0.473 0.474 0.475 0.476 0.477 0.478 0.479 0.48 0.481 0.482 空 气 密 度 (Kg/m3) 风能利用系数Cp 空 气 密 度 风 能 利 用 系 数 关 系 曲 线 11.051.11.151.21.251.31.351.41.45 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 x 10 5 空 气 密 度 (

9、Kg/m3) 功率 空 气 密 度 发 电 功 率 关 系 曲 线 当实际空气密度比设计值偏大（小）当实际空气密度比设计值偏大（小）0.2Kg/m3时，自适应时，自适应 算法比定值算法发电功率高算法比定值算法发电功率高4000W5000W（风速（风速7m/s）。）。 18 额定风速以上变桨额定风速以上变桨PIDPID控制控制 在高于额定风速时，设计变桨在高于额定风速时，设计变桨PIDPID控制器，限制风能控制器，限制风能 吸收，并配合发电机转矩控制，实现输出功率稳定在额定吸收，并配合发电机转矩控制，实现输出功率稳定在额定 值的目标；值的目标； 19 20 00.20.40.60.811.21.

10、41.61.82 x 10 4 -10 0 10 20 30 时间 wind speed wind speed 00.20.40.60.811.21.41.61.82 x 10 4 1000 1200 1400 1600 1800 2000 时间 omeg 转速 00.20.40.60.811.21.41.61.82 x 10 4 0 2000 4000 6000 8000 时间 tg 转矩 00.20.40.60.811.21.41.61.82 x 10 4 0 10 20 30 40 时间 桨距角 21 00.20.40.60.811.21.41.61.82 x 10 4 -20 0 20

11、 40 时间 wind 风速 00.20.40.60.811.21.41.61.82 x 10 4 0 0.2 0.4 时间 cp Cp 00.20.40.60.811.21.41.61.82 x 10 4 0 5000 10000 时间 Tg 转矩 00.20.40.60.811.21.41.61.82 x 10 4 0 20 40 时间 Pitch 桨距角 00.20.40.60.811.21.41.61.82 x 10 4 0 1 2 x 10 6 时间 Power 功率 22 1.421.441.461.481.51.52 x 10 4 5 10 15 20 时 间 wind 风 速

12、1.421.441.461.481.51.52 x 10 4 0 0.2 0.4 时 间 cp Cp 1.421.441.461.481.51.52 x 10 4 4000 6000 8000 时 间 Tg 转 矩 1.421.441.461.481.51.52 x 10 4 -4 -2 0 2 4 6 时 间 Pitch 桨 距 角 1.421.441.461.481.51.52 x 10 4 0.5 1 1.5 2 x 10 6 时 间 Power 功 率 额定风速附近，变桨控制额定风速附近，变桨控制 与转矩控制频繁切换问题与转矩控制频繁切换问题 1.651.71.751.81.851.9

13、 x 10 4 5 10 15 20 25 时间 wind speed wind speed 1.651.71.751.81.851.9 x 10 4 1700 1800 1900 2000 2100 2200 时间 omeg 转速 1.651.71.751.81.851.9 x 10 4 6000 6500 7000 7500 8000 时间 tg 转矩 1.651.71.751.81.851.9 x 10 4 0 10 20 时间 桨距角 1.51.551.61.651.71.751.81.851.91.95 x 10 4 0 5 10 15 20 25 时间 wind speed win

14、d speed 1.51.551.61.651.71.751.81.851.91.95 x 10 4 1000 1500 2000 2500 3000 时间 omeg 转速 1.51.551.61.651.71.751.81.851.91.95 x 10 4 0 2000 4000 6000 8000 时间 tg 转矩 1.51.551.61.651.71.751.81.851.91.95 x 10 4 0 10 20 30 40 50 时间 桨距角 控制器参数设计（调试）问题控制器参数设计（调试）问题 变桨变桨PID控制器控制器Kc=0.02 变桨变桨PID控制器控制器Kc=2 23 24

15、仿真中使用风机的基本参数仿真中使用风机的基本参数 额定功率额定功率风轮半径风轮半径齿轮箱变速比齿轮箱变速比发电机最大转速发电机最大转速发电机并网最低发电机并网最低 转速转速 1.5MW41m1042000r/s1030r/s 发电机转动惯量发电机转动惯量风轮转动惯量风轮转动惯量发电机最大转矩发电机最大转矩低速低速PI恒转速设恒转速设 定定 发电机额定转速发电机额定转速 78Kgm25775878 Kgm2 10000Nm1200r/s1800r/s 发电机功率调节发电机功率调节 时间常数时间常数 最佳最佳Cp设计值设计值最佳叶尖速比设最佳叶尖速比设 计值计值 风速单次阶跃变风速单次阶跃变 化幅

16、值化幅值 风速随机变化方风速随机变化方 差差 0.04s0.488.13、6m/s1(m/s)2 变桨执行机构时变桨执行机构时 间常数间常数 最大变桨角度最大变桨角度最小变桨角度最小变桨角度变桨速率最大限变桨速率最大限 制制 转矩调节最大速转矩调节最大速 率限制率限制 0.4s87dec-3dec6dec/s750Nm/s 下阶段研究计划下阶段研究计划 2015.08-10 12015.08-10 1）PIDPID控制器参数的设计方法需要深入研究控制器参数的设计方法需要深入研究 （控制器参数显著影响风机运行的稳定性和载荷）（控制器参数显著影响风机运行的稳定性和载荷）, , 目前的参数只是试凑的

17、方式，没有任何理论依据；目前的参数只是试凑的方式，没有任何理论依据； 2 2）优化变桨控制与转矩控制切换逻辑，减少切换频率，）优化变桨控制与转矩控制切换逻辑，减少切换频率， 避免功率频繁跌落。避免功率频繁跌落。 2015.11-12 2015.11-12 塔架加阻功能设计（变桨主动阻尼塔架加阻功能设计（变桨主动阻尼+ +陷波滤波器）陷波滤波器） 2016.01-03 2016.01-03 传动链加阻尼功能设计传动链加阻尼功能设计 （转矩主动阻尼（转矩主动阻尼+ +陷波滤波器）陷波滤波器） 2016.04-06 2016.04-06 转速区间跳跃功能设计转速区间跳跃功能设计 2016.06-12

18、 2016.06-12 低噪声运行模式控制策略设计低噪声运行模式控制策略设计 2015.08-2016.12 2015.08-2016.12 与外单位合作，在试验风机上实现所研究与外单位合作，在试验风机上实现所研究 的内容的内容 25 26 讨论问题讨论问题 主动阻尼控制，关键是带通滤波器设计主动阻尼控制，关键是带通滤波器设计 22 2 2 ss s KGdtd 与丹麦米塔（与丹麦米塔（ Mita Mita ）合作）合作，开展风机主控系统改，开展风机主控系统改 造、风场功率控制优化升级，逐步获取米塔主控系统的造、风场功率控制优化升级，逐步获取米塔主控系统的 控制策略和源代码程序，学习和掌握基于控制策略和源代码程序，学习和掌握基于ScadaScada数据的诊数据的诊 断分析技能和主控系统调试经验。断分析技能和主控系统调试经验。 以此为基础，对主控策略进行二次开发和优化完善，以此为基础，对主控策略进行二次开